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四边形给定四条边长 a,b,c,d, 则它是圆内接四边形时面积最大. 记半周长为 s, 则最大面积为 (s−a)(s−b)(s−c)(s−d).
[1] 记四边形为 ABCD, 且 AB=a, BC=b, CD=c, DA=d. 则四边形的面积为 S=12absinB+12cdsinD, 则 S2=14(adsinA)2+14(bcsinC)2+12abcdsinAsinC=14(a2d2+b2c2)+14(adcosA)2+14(bccosC)2+12abcdsinAsinC=14(ad+bc)2−14(2abcd)+14(a2d2cos2A)+14(b2c2cos2C)+12abcdsinAsinC. 记对角线 BD=f, 则分别在 ΔABD, ΔBCD 中: f2=a2+d2−2adcosA=b2+c2−2bccosC⇒a2+d2−b2−c2=2adcosA−2bccosC. 等式两边平方得 (a2+d2−b2−c2)2=(2adcosA)2+(2bccosC)2−8abcdcosAcosC. 代入 S2 有S2=14(ad+bc)2−116(a2+d2−b2−c2)2−14(2abcd)−12abcdcosAcosC+12abcdsinAsinC=14(ad+bc)2−116(a2+d2−b2−c2)2−12abcd−12abcdcos(A+C)=14(ad+bc)2−116(a2+d2−b2−c2)2−abcdcos2A+C2=116(2ad+2bc+a2+d2−b2−c2)(2ad+2bc−a2−d2+b2+c2)−abcdcos2A+C2=116((a+d)2−(b−c)2)((b+c)2−(a−d)2)−abcdcos2A+C2=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)−abcdcos2A+C2. 所以 S=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)−abcdcos2A+C2. 它的最小值是 (s−a)(s−b)(s−c)(s−d), 取等条件是 A,C 互补, 也即四边形 ABCD 是圆内接四边形.
证明摘自知乎 黄河清, 具体书写上稍有改动. ↩︎